軸承鋼等離子體基鉭氮碳多元離子注入層組織及性能研究.pdf

1、疲勞和磨損是精密軸承使用過程中的主要失效形式，研究表明對(duì)軸承進(jìn)行等離子體基離子注入處理是一種有效的表面強(qiáng)化手段，它可以在不改變軸承尺寸精度和滾道表面光潔度的前提下，極大地提高軸承耐磨性和疲勞性能。為了解決等離子體基離子注入層淺的缺點(diǎn)和進(jìn)一步提其對(duì)軸承的表面強(qiáng)化效果，本文采用等離子體基離子注入與沉積和升溫注滲技術(shù)對(duì)GCr15和M50軸承鋼進(jìn)行表面強(qiáng)化處理，并且對(duì)改性層的組織結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了研究。
　　首先，研究了等離子體基Ta，N和

2、C離子注入沉積GCr15鋼表面強(qiáng)化層的組織結(jié)構(gòu)和性能。研究表明，GCr15在經(jīng)過Ta離子注入后表面有Ta膜沉積，經(jīng)過后續(xù)N或C離子注入后，GCr15鋼表面生成了晶粒尺寸為幾十至一百納米之間氮化鉭和碳化鉭膜。X-射線衍射(XRD)結(jié)果表明，鉭化物的晶粒尺寸隨注入電壓的增加而增加，數(shù)量隨注入劑量增加而增加。Raman光譜結(jié)果表明，C離子注入后改性層表面生成了DLC膜。經(jīng)過Ta和N離子注入沉積的GCr15鋼的表面硬度由8.5GPa增加到17.

3、8GPa，干摩擦?xí)r磨損率下降88％；而經(jīng)過Ta和C離子注入后改性層硬度為16.5GPa，由于表面形成了一層DLC膜，改性層的干摩擦系數(shù)大幅下降，磨損率下降40%。
　　然后，研究了氮離子升溫注滲M50鋼的成分和結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律及其對(duì)注滲層性能影響機(jī)制。X-射線光電子譜(XPS)結(jié)果表明，經(jīng)過氮離子升溫注滲處理表面存在一層氧含量很高的氧化層。結(jié)合質(zhì)譜儀分析可知，注滲層中氧來源于氣壁吸附的水分子的脫附。研究表明，表面氧化層對(duì)注滲層成分結(jié)

4、構(gòu)和性能有重要影響。在注滲層中，合金元素Cr和Mo以氧化態(tài)存在，沒有檢測(cè)到C和V元素，F(xiàn)e元素是氮化物和氧化物混合態(tài)。表面氧濃度對(duì)注滲層氮含量有很大影響：表面氧濃度越高，氮濃度越低。XRD結(jié)果表明，注滲層的晶相為Fe3N和Fe3O4。采用透射電鏡(TEM)觀察注滲層微觀組織結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)馬氏體孿晶發(fā)生細(xì)化，出現(xiàn)了位錯(cuò)、非晶和納米晶等亞結(jié)構(gòu)。
　　M50鋼經(jīng)過N等離子體基升溫離子注滲處理后改性層的硬度普遍有所提高，表面硬度由原來的12.

5、5GPa升高至17.5GPa，改性層中O含量對(duì)表面硬度的影響很大，O濃度較高的試樣硬度較低。在干摩擦狀態(tài)，與原始試樣相比，經(jīng)過處理的M50鋼試樣表面的摩擦系數(shù)變化不大，磨損率下降了61%，O含量較高的試樣耐磨性都有不同程度的下降。經(jīng)過處理后試樣表面的耐蝕性有不同程度的提高，O與基體中Fe元素形成的Fe3O4，結(jié)構(gòu)比較致密，對(duì)耐蝕性也起到了一定的作用。
　　M50鋼經(jīng)過N、C升溫離子注滲處理后改性層氧化現(xiàn)象得到明顯改善，O含量一般在

6、5%以下，隨著CH4通入量的提高，改性層中O含量下降，當(dāng)N2、CH4通入比例達(dá)到30：3時(shí)，表面氧化現(xiàn)象基本消失。改性層氧化現(xiàn)象降低的原因是CH4在電離過程中形成了多種原子團(tuán)，增加了表面濺射效應(yīng)，使M50鋼表面的氧化層被除去。與N離子注滲過程相比較，N、C等離子體基離子注滲后改性層中的C含量明顯提高，隨著CH4通入量和注入溫度的提高，C濃度升高；N濃度隨著注入溫度的升高，濃度略呈下降趨勢(shì)；高電流密度下改性層中N、C濃度明顯提高。改性層中

7、的原始奧氏體晶粒尺寸變化不大，馬氏體晶粒細(xì)化，呈碎裂狀和柳絮狀，出現(xiàn)了大量的缺陷，表面存在非晶態(tài)組織，改性層含有的CrN和碳化物等化合物相。
　　M50鋼經(jīng)過N、C等離子體基升溫離子注滲處理后改性層的硬度由原來的12.5GPa升高至22GPa，隨著CH4通入量的增加，試樣表面硬度升高，隨著注入溫度的升高，表面硬度先升高后降低，注入電流密度對(duì)改性層硬度影響不大。在干摩擦狀態(tài)下，與原始試樣相比，經(jīng)過處理的M50鋼試樣磨損率下降73.5